技术领域
[0001] 本
发明涉及
生物质利用技术领域，尤其是一种利用半
纤维素水解液中木糖制备壳聚糖的方法。
背景技术
[0002] 壳聚糖是迄今为止发现的唯一的大量存在的天然
碱性多糖，具有独特的性质和生理功能，如通透性、成纤性、吸湿性、增粘性、成膜性、
吸附性、抗菌性、
生物相容性、保湿性等。近年来已在环保、纺织印染、食品、化工、
化妆品、
水处理和生物医药等领域中得到广泛的应用。目前壳聚糖的生产方法主要还是从虾蟹壳中用酸碱加工提取,此过程需耗费大量酸碱，
腐蚀性强，废液量大，易造成环境污染；此外用浓碱进行反应时，甲壳质的分子易降解，使分子量和黏度减小而影响产品的
质量。壳聚糖也是某些
真菌细胞壁的重要组成成分,用
生物工程技术培养丝状真菌大规模制备壳聚糖将可能成为大有前途的清洁生产方式。
[0003] 木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，主要由三种形态的
聚合物——纤维素、半纤维素和木质素组成。如今，随着石油资源的日益减少，石油开采和加工成本的提高，以及公众和社会对环境质量的要求越来越高，利用木质纤维素生产
燃料乙醇成为研究热点。目前，已经证实利用纤维素可生产各种类型的
生物燃料（如乙醇、2,3-丁二醇等），然而利用生物质原料大规模生产
燃料乙醇仍然是一个巨大的挑战。半纤维素是生物质的重要组分之一，可较容易地水解成木糖，然而，木糖酒精
发酵的难点在于
微生物很难利用木糖发酵乙醇。虽然一些
酵母菌（如毕氏酵母等）和基因工程菌（如经改造的大肠杆菌等）能够利用木糖生产乙醇,但离实际应用还有较大的距离。因此，在纤维素乙醇生产中，大量半纤维素被浪费。许多微生物能够利用木糖转
化成其它产品，这对木质纤维素的充分利用具有重要的意义。
[0004] 通过检索，尚未发现与本发明
专利申请相关的专利公开文献。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服
现有技术的不足之处，提供一种方法简单、操作方便、 产率高的利用半纤维素水解液中木糖制备壳聚糖的方法。
[0006] 本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
[0007] 一种利用半纤维素水解液中木糖制备壳聚糖的方法，步骤如下：
[0008] ⑴半纤维素原料水解：将木质纤维素原料
粉碎，按木质纤维素原料：H2SO4溶液的固液比g：mL为1：8~11的比例加入体积分数为0.5～2.0%的H2SO4溶液，在100～120℃水解1～3h，得半纤维素水解液；
[0009] ⑵脱毒脱色处理：向半纤维素水解液中加入Ca(OH)2调pH至9～11，固液分离后的上清液调pH到6～8，然后按固液比g：mL为1:20～50加入
活性炭，50℃下保温0.5～2.0h进行脱毒脱色处理；
[0010] ⑶丝状真菌的培养：向脱毒脱色处理后的半纤维素水解液中添加玉米浆、KH2PO4 和MgSO4·7H2O ，制成发酵培养基，向发酵培养基中接入丝状真菌孢子悬浮液后，经发酵培养得发酵液；
[0011] 其中，半纤维素水解液：玉米浆：KH2PO4 ：MgSO4·7H2O的比例mL：g：g：g为100：4.0～7.0：0.1～0.6：0.1～0.6；
[0012] ⑷菌丝体脱蛋白：将发酵液过滤，得到菌丝体，将菌丝体烘干后
研磨，按照菌丝体：碱液的比例g：mL为1：20～60的比例加入质量分数为2～6%的碱液，90~110℃处理2～
4h，固液分离得到碱不溶物，洗至滤液中性；
[0013] ⑸壳聚糖提取：向洗至滤液中性的碱不溶物中按照菌丝体：酸液的比例g：mL为1：20～60加入体积分数为2～6%的弱
酸溶液，于50～70℃处理2～6h，固液分离，得上清液，调pH值为9～12，静置5～15min，收集沉淀物并洗涤至滤出液为中性，固液分离，
40～60℃烘干，即得壳聚糖。
[0014] 而且，所述步骤⑴中木质纤维素原料经粉碎后过筛使颗粒大小不超过1mm。
[0015] 而且，所述步骤⑴中木质纤维素原料为玉米秸秆、玉米芯、稻草、麦草中的一种或几种的混合物。
[0016] 而且，所述步骤⑵中调pH到6～8时使用的溶液为体积分数为10%的H2SO4或H3PO4溶液。
[0017] 而且，所述步骤⑶中接入丝状真菌孢子悬浮液为将孢子悬浮液浓度为106～8 –1
10mL 的丝状真菌孢子悬浮液按接种量 4～8%进行接入。
[0018] 而且，所述步骤⑶中发酵培养条件为：初始pH 6～7，培养
温度26～34℃，搅拌转速50～200r/min，通气量0.5～2vvm，接种量4～8%，培养时间48～64h。
[0019] 而且，所述步骤⑶中丝状真菌为雅致放射毛霉TCCC450001（Actinomucor elegans）。
[0020] 而且，所述步骤⑷中碱液为NaOH溶液。
[0021] 而且，所述步骤⑸调pH时使用NaOH溶液；所述弱酸为
醋酸。
[0022] 而且，所述壳聚糖还经过如下处理：用95%乙醇洗涤2~4次，再用丙
酮洗涤1~3次，40～60℃烘干。
[0023] 本发明取得的优点和积极效果为：
[0024] 1、本发明方法利用Ca(OH)2和活性
碳对半纤维素水解液进行脱毒脱色处理，处理后的半纤维素水解液中毒性成分（如
甲酸、乙酸、糠
醛等）明显降低，为菌丝体提供了良好的生长环境，实现了木质纤维素中半纤维素的利用和转化，提高了壳聚糖的产率，方法简单、操作方便。
[0025] 2、本发明方法以木质纤维素为原料，半纤维素经
过酸水解后，以脱毒后的半纤维素水解液为碳源培养丝状真菌，半纤维素被丝状真菌利用，最终转化成高附加值的壳聚糖，同时为木质纤维素组分的充分利用提供了充分的理论依据，对木质纤维素的充分利用具有重要意义，在医药、食品、化工等领域有着广阔的应用前景。
[0026] 3、本发明方法以农业废弃物中的秸秆为原料，将原料中的半纤维素转化为具有高附加值的壳聚糖产品，既减少了由于秸秆大量燃烧处理造成的环境污染，且为微生物法制备壳聚糖提供了一种新的方法。
附图说明
[0027] 图1是本发明
实施例1的雅致放射毛霉在发酵培养时的发酵过程动态图。
具体实施方式
[0028] 下面通过具体实施例对本发明作进一步详述。以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0029] 本发明中所使用的方法如无特殊说明，均为常规方法；本发明中所使用的
试剂如无特殊说明，均为常规试剂。
[0030] 本发明中所使用的保藏菌种雅致放射毛霉的保藏编号为TCCC450001（Actinomucor elegans），目前，该菌株已被如下文献公开：刘珍丽，赵华，楚宁.培养基组成对雅致放射毛霉发酵生产壳聚糖的影响[J].天津科技大学学报，2010，25(2)：13-17。
[0031] 本发明中所使用的木质纤维素原料可以为玉米秸秆、玉米芯、稻草、麦草中的一种或几种的混合物。
[0032] 实施例1
[0033] 一种利用半纤维素水解液中木糖制备壳聚糖的方法，步骤如下：
[0034] ⑴半纤维素原料水解：玉米芯经粉碎后过筛使颗粒大小不超过1mm；将粉碎后的玉米芯用体积分数为1.0%的H2SO4溶液按玉米芯：H2SO4溶液的固液比g：mL为1：10于水解锅中120℃水解2h，得半纤维素水解液；
[0035] ⑵脱毒脱色处理：在步骤⑴中得到的半纤维素水解液中加入Ca(OH)2调pH至10，固液分离后得上清液，上清液用体积分数为10%的H2SO4溶液调pH到7，固液分离得上清液；再向经Ca(OH)2脱毒处理后的上清液中按固液比1：20（g：mL）加入活性炭，50℃下保温1h，过滤后得到经脱毒脱色处理后的半纤维素水解液；
[0036] 经检测，过滤后得到经脱毒脱色处理后的半纤维素水解液中木糖含量为29.33g/L；
[0037] ⑶丝状真菌培养：
[0038] ①菌种斜面培养：采用PDA培养基为斜面培养基，将雅致放射毛霉菌体接种在斜面培养基上，于恒温
培养箱中28℃培养4d，待斜面上长出大量孢子后取出；
[0039] ②孢子悬浮液制备：用灭过菌的生理盐水10mL洗脱孢子，两层无菌纱布过滤除去菌丝体，将滤液充分振荡得到孢子悬浮液，用血球计数板计数，用蒸馏水调整孢子悬浮液中6 –1
的孢子使最终浓度为10mL ；
[0040] ③雅致放射毛霉TCCC450001的发酵培养：向经脱毒脱色处理后的半纤维素水解液中添加玉米浆7.0%（玉米浆：半纤维素水解液，g：mL）、KH2PO4 0.2%（KH2PO4：半纤维素水解液，g：mL）和MgSO4·7H2O 0.2%（MgSO4·7H2O：半纤维素水解液，g：mL），制成发酵培养基；
[0041] 向5L
发酵罐中加入3L 发酵培养基，用质量分数为30%的NaOH溶液调节初始pH6 –1
为6.5，向发酵培养基中接入180mL孢子悬浮液（孢子浓度为10mL ），控制培养温度30℃，搅拌转速100r/min，通气量1.5vvm，培养52h，得到发酵液；
[0042] ⑷菌丝体脱蛋白：将发酵液过滤，得到菌丝体。将菌丝体于65℃烘24h后研磨，用质量分数为2%的NaOH溶液(菌丝体：碱液=1：20，g：mL) 100℃处理2h，固液分离得到碱不溶物，用蒸馏水洗至滤液中性；
[0043] ⑸壳聚糖提取：将洗至滤液中性的碱不溶物用体积分数为2%的醋酸溶液（菌丝体：酸液=1：40，g：mL）于60℃处理3h，固液分离得上清液，向上清液中缓慢加入质量分数为30% 的NaOH溶液，边加边搅拌，调 pH值到9，出现大量白色絮状沉淀，静置5min后收集沉淀物并用蒸馏水洗涤至滤出液为中性，50℃烘干，即为壳聚糖粗品；
[0044] ⑹将壳聚糖粗品再用95%乙醇（壳聚糖：95%乙醇=1：20，g：mL）洗涤3次，最后用丙酮（壳聚糖：丙酮 =1：20，g：mL）洗涤2次，50℃烘干，可得到壳聚糖纯品。
[0045] 经检测，壳聚糖的产率为2.87g/L。
[0046] 附图1为实施例1的发酵过程动态图。如图1所示，在雅致放射毛霉整个发酵过程中，发酵液中pH先升高后降低，但总体变化不大，开始时发酵液中的木糖和
葡萄糖率先被菌丝体利用，葡萄糖在20h几乎被利用完全，菌丝体在32h才开始利用阿拉伯糖。开始阶段，菌丝体缓慢生长，在24h时进入对数期，52h趋于稳定。由上可以看出，本发明方法以木质纤维素为原料，半纤维素经过酸水解后，以脱毒后的半纤维素水解液为碳源培养丝状真菌，半纤维素被丝状真菌利用，最终转化成高附加值的壳聚糖。
[0047] 实施例2
[0048] 一种利用半纤维素水解液中木糖制备壳聚糖的方法，步骤如下：
[0049] ⑴半纤维素原料水解：玉米芯经粉碎后过筛使颗粒大小不超过1mm；将粉碎后的玉米芯用体积分数为2.0%的H2SO4溶液按玉米芯：H2SO4溶液的固液比g：mL为1：10于水解锅中100℃水解2h，得半纤维素水解液；
[0050] ⑵脱毒脱色处理：在步骤⑴中得到的半纤维素水解液中加入Ca(OH)2调pH至9，固液分离后得上清液，上清液用体积分数为10%的H3PO4溶液调pH到6，固液分离得上清液；再向经Ca(OH)2脱毒处理后的上清液中按固液比1：50（g：mL）加入活性炭，50℃下保温0.5h，过滤后得到经脱毒脱色处理后的半纤维素水解液；
[0051] 经检测，过滤后得到经脱毒脱色处理后的半纤维素水解液中木糖含量为25.21g/L；
[0052] ⑶丝状真菌培养：
[0053] ①菌种斜面培养：采用PDA培养基为斜面培养基，将雅致放射毛霉菌体接种在斜面培养基上，于恒温培养箱中28℃培养3d，待斜面上长出大量孢子后取出；
[0054] ②孢子悬浮液制备：用灭过菌的生理盐水10mL洗脱孢子，两层无菌纱布过滤除去菌丝体，将滤液充分振荡得到孢子悬浮液，用血球计数板计数，用蒸馏水调整孢子悬浮液中7 –1
的孢子使最终浓度为10mL ；
[0055] ③雅致放射毛霉TCCC450001的发酵培养：向经脱毒脱色处理后的半纤维素水解液中添加玉米浆4.0%（玉米浆：水解液，g：mL）、KH2PO4 0.1%（KH2PO4：水解液，g：mL）和MgSO4·7H2O 0.6%（MgSO4·7H2O：水解液，g：mL），制成发酵培养基；
[0056] 向5L发酵罐中加入3L发酵培养基，用质量分数为30%的NaOH溶液调节初始pH6 –1
为6，向培养基中接入240mL孢子悬浮液（孢子浓度为10mL ），控制培养温度26℃，搅拌转速50r/min，通气量1vvm，培养48h，得到发酵液；
[0057] ⑷菌丝体脱蛋白：将发酵液过滤，得到菌丝体。将菌丝体于60℃烘36h后研磨，用质量分数为4%的NaOH溶液(菌丝体：碱液=1：40，g：mL) 110℃处理1h，固液分离得到碱不溶物，用蒸馏水洗至滤液中性；
[0058] ⑸壳聚糖提取：将洗至滤液中性的碱不溶物用体积分数为4%的醋酸溶液（菌丝体：酸液=1：20，g：mL）于50℃处理4h，固液分离得上清液，向上清液中缓慢加入质量分数为30% 的NaOH溶液，边加边搅拌，调 pH值到10，出现大量白色絮状沉淀，静置10min后收集沉淀物并用蒸馏水洗涤至滤出液为中性，40℃烘干，即为壳聚糖粗品；
[0059] ⑹将壳聚糖粗品再用95%乙醇（壳聚糖：95%乙醇=1：20，g：mL）洗涤3次，最后用丙酮（壳聚糖：丙酮 =1：20，g：mL）洗涤2次，40℃烘干，可得到壳聚糖纯品。
[0060] 经检测，壳聚糖的产率为2.19g/L。
[0061] 实施例3
[0062] 一种利用半纤维素水解液中木糖制备壳聚糖的方法，步骤如下：
[0063] ⑴半纤维素原料水解：玉米芯经粉碎后过筛使颗粒大小不超过1mm；将粉碎后的玉米芯用体积分数为2.0%的H2SO4溶液按玉米芯：H2SO4溶液的固液比g：mL为1：10于水解锅中120℃水解3h，得半纤维素水解液；
[0064] ⑵脱毒脱色处理：在步骤⑴中得到的半纤维素水解液中加入Ca(OH)2调pH至11，固液分离后得上清液，上清液用体积分数为10%的H2SO4溶液调pH到8，固液分离得上清液；再向经Ca(OH)2脱毒处理后的上清液中按固液比1：25（g：mL）加入活性炭，50℃下保温2h，过滤后得到经脱毒脱色处理后的半纤维素水解液；
[0065] 经检测，过滤后得到经脱毒脱色处理后的半纤维素水解液中木糖含量为30.91g/L；
[0066] ⑶丝状真菌培养：
[0067] ①菌种斜面培养：采用PDA培养基为斜面培养基，将雅致放射毛霉菌体接种在斜面培养基上，于恒温培养箱中28℃培养7d，待斜面上长出大量孢子后取出；
[0068] ②孢子悬浮液制备：用灭过菌的生理盐水10mL洗脱孢子，两层无菌纱布过滤除去菌丝体，将滤液充分振荡得到孢子悬浮液，用血球计数板计数，用蒸馏水调整孢子悬浮液中8 –1
的孢子使最终浓度为10mL ；
[0069] ③雅致放射毛霉TCCC450001的发酵培养：向经脱毒脱色处理后的半纤维素水解液中添加玉米浆5.0%（玉米浆：水解液，g：mL）、KH2PO4 0.6%（KH2PO4：水解液，g：mL）和MgSO4·7H2O 0.1%（MgSO4·7H2O：水解液，g：mL），制成发酵培养基；
[0070] 向5L发酵罐中加入3L发酵培养基，用质量分数为30%的NaOH溶液调节初始pH6 –1
为7，向培养基中接入120mL孢子悬浮液（孢子浓度为10mL ），控制培养温度32℃，搅拌转速150r/min，通气量2vvm，培养64h，得到发酵液；
[0071] ⑷菌丝体脱蛋白：将发酵液过滤，得到菌丝体，将菌丝体于80℃烘48h后研磨，用质量分数为6%的NaOH溶液(菌丝体：碱液=1：60，g：mL) 120℃处理4h，固液分离得到碱不溶物，用蒸馏水洗至滤液中性；
[0072] ⑸壳聚糖提取：将洗至滤液中性的碱不溶物用体积分数为6%的醋酸溶液（菌丝体：酸液=1：60，g：mL）于70℃处理6h，固液分离得上清液，向上清液中缓慢加入质量分数为30%的NaOH溶液，边加边搅拌，调 pH值到12，出现大量白色絮状沉淀，静置15min后收集沉淀物并用蒸馏水洗涤至滤出液为中性，60℃烘干，即为壳聚糖粗品；
[0073] ⑹将壳聚糖粗品再用95%乙醇（壳聚糖：95%乙醇=1：20，g：mL）洗涤3次，最后用丙酮（壳聚糖：丙酮 =1：20，g：mL）洗涤2次，60℃烘干，可得到壳聚糖纯品。
[0074] 经检测，壳聚糖的产率为2.68g/L。
